CN201262593Y - 能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型是一种能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩载荷的强度试验装置，其结构主要包括装置机架，与安装在机架上的回转主轴固定联结的主扭臂和反扭臂，支承端固定于装置机架上而运动端与扭臂为铰联接的作用力构成主扭力偶的至少一对主扭作动筒机构、作用力构成振动扭力偶的至少一对振动作动筒机构和反作用力构成反扭力偶的至少一对弹性反扭作动机构，以及控制作动筒机构运动的液压伺服系统。本实用新型突破了现有技术高速回转主轴试验装置扭矩加载模式，能够完全、真实地模拟高速回转主轴运行过程承受的主扭矩和振动扭矩载荷，解决了主扭矩和振动扭矩复合加载难的问题。本实用新型还具有加载精度高、制造成本低、维修工作量小和使用寿命长等优点。

Description

能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置

技术领域

本实用新型涉及一种对高速回转主轴进行强度试验的装置，特别是涉及一种能够对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩载荷确定转轴寿命的强度试验装置。

背景技术

涡轮发动机、汽轮机等高速回转机械的回转主轴是这类机械最为重要的部件，运行中承受很大的多种载荷，如附图3所示，要承受弯矩Mu、主扭矩Mk、振动扭矩△Mk、轴向力P等载荷，又由于其上分布有很多容易产生裂纹的台阶和孔等应力集中的部位，运行中一旦发生裂纹就可能发生致命的断轴后果，造成人身伤亡和财产重大损失的恶性事故。由于在发动机试车台架上不能模拟涡轮轴运行中的陀螺力矩和机动弯矩，因此地面试车无法对涡轮主轴实际运行载荷进行模拟，而采用实际运行进行寿命试验，不但成本巨大，而且危险极大。因此建造能够全面模拟涡轮轴在实际运行状态下所承受的各种载荷的试验装置，成为解决轴类故障的关键。在发动机涡轮轴运行过程中承受的弯矩Mu、主扭矩Mk、振动扭矩△Mk、轴向力P等载荷中，其中振动扭矩载荷△Mk模拟比较困难，建造能够模拟涡轮轴在实际运行状态下所承受的振动扭矩载荷△Mk的试验装置，是所属领域科技工作者共同面临的急待解决的重大课题。

英国R.R公司研究开发出了一种高速回转主轴强度试验装置，以求解决对高速回转主轴所承受的振动扭矩载荷△Mk进行模拟试验的问题。该试验装置的结构如附图4和附图5所示。装置的模拟试验机构，其主扭矩和反扭矩系统均采用由电磁液压伺服阀控制的液压作动筒机构组成一对力偶(液压作动筒机构即为由活塞和活塞缸组成的缸塞机构)，振动扭矩则采用由电磁液压伺服阀控制的液压作动筒机构产生的一个偏心扰动力所构成，装置的模拟试验机构设置在由底座、筒体和顶盖构成的装置机壳内。但该装置并不能够很好地解决模拟高速回转主轴所承受的振动扭矩载荷△Mk问题。这是由于，反扭矩系统采用由电磁液压伺服阀控制的液压作动筒机构组成一对力偶为反扭矩，在2个主扭液压作动筒机构对测试回转主轴实施了主扭矩后，构成反扭矩系统的2个液压作动筒就成为了一个刚性很强的系统，这时只能对测试回转主轴施加正的+△Mk扭矩载荷，而不能施加负的-△Mk扭矩载荷，如果此时对回转主轴通过振扭作动筒施加振动扭矩载荷△Mk就非常困难，主要是振动扭矩的振幅和振动频率不能达到高速回转主轴试验需求，即不能很好有效地对测试回转主轴施加振动扭矩载荷△Mk。如要实现对测试回转主轴施加振动扭矩载荷△Mk，则整个反扭矩系统需是一个弹性系统，如果按常规设计，那么该装置的结构将十分复杂。因此，英国R.R公司研究开发出的高速回转主轴强度试验装置，由于其反扭系统没有设计成为弹性系统，实际上并没有很好有效地解决对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩载荷的模拟强度试验问题。

发明内容

本实用新型针对现有技术的高速回转主轴强度试验装置存在的不足而提供的能够对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩载荷的试验装置，旨在解决现有技术的试验装置不能很好有效地对高速回转主轴实现主扭矩和振动扭矩复合加载问题，不能很好有效地同时模拟高速回转主轴在运行过程中承受的主扭矩载荷和振动扭矩载荷，其次解决现有技术的试验装置结构复杂、制造成本高、故障率高等问题。

本实用新型旨在解决的技术问题，可通过具有以下技术方案的高速回转主轴强度试验装置来实现：

一种能够对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，主要包括装置机架，与安装在机架上的回转主轴固定联结的主扭臂和反扭臂，支承端固定于装置机架上而运动端与扭臂为铰联接的作用力构成主扭力偶的至少一对主扭作动筒机构、作用力构成振动扭力偶的至少一对振动作动筒机构和反作用力构成反扭力偶的至少一对反扭作动机构，以及控制作动筒机构运动的液压伺服系统，所说的反扭作动机构为弹性反扭作动机构。

在上述强度试验装置技术方案中，所说的弹性反扭作动机构可以是由气压弹性构件构成的弹性反扭作动机构，也可以是由反力弹簧构成的弹性反扭作动机构。后一种结构的弹性反扭作动机构，其结构简单，容易实施，优先采用后一种结构的弹性反扭作动机构。反力弹簧弹性反扭作动机构可以是由圆柱型反力弹簧构成的弹性反扭作动机构，也可以是由其他结构的反力弹簧构成的弹性反扭作动机构，优先采用圆柱型反力弹簧弹性反扭作动机构。

所说的圆柱型反力弹簧弹性反扭作动机构，其结构可设计成主要包括机构机架、圆柱型反力弹簧和将反力弹簧安置在机构机架内的两弹簧座，两弹簧座中与反扭臂作用联接一端的弹簧座可相对于机构机架轴向移动。所说的圆柱型反力弹簧最好设计为两根，一根为弹簧钢丝粗弹簧直径大的大弹簧，一根为弹簧钢丝细弹簧直径小的小弹簧，大弹簧套置在小弹簧外。所说的机构机架可设计为，包括端部设计有螺纹的机架结构螺杆、座板和盖板，座板上设计有弹簧座和与机架结构螺杆端部螺纹匹配的安装螺纹孔，盖板上设计有可动弹簧座轴颈可在其内轴向滑动的安装孔和与机架结构螺杆匹配的安装孔，机架结构螺杆穿过盖板上的安装孔与座板上的安装螺纹孔螺纹联结，组装形成机构机架。当然也可设计成其他结构形式，如以筒体代替机架结构螺杆的筒状机架形式。构成机构机架的盖板，可在其轴颈安装孔内设置一装配轴颈套，可动弹簧座轴颈通过装配轴颈套安装在盖板安装孔内，且轴颈套上设计加工有润滑油槽。构成机构机架的座板，其与机架结构螺杆端部螺纹匹配的安装螺纹孔最好为贯通孔，以便于对反力弹簧的反作用力进行调整。

在上述所述试验装置的技术方案中，所说的主扭作动筒机构、振动作动筒机构和反扭作动机构最好都为对称设置的2个，2个振动作动筒机构和2个反扭作动机构分别与同一反扭臂铰联接。

在上述试验装置技术方案中，所说的装置机架为龙门式结构，由基座、两个墙式立柱和横梁构成，主扭作动筒机构、振扭作动筒机构和反扭作动机构的支承端固定安装在立柱上，被测回转轴竖向安装在基座上。

在上述试验装置技术方案中，所说的试验装置还设置有弯矩加载机构和轴向力加载机构，弯矩加载机构通过弯矩加载轴与回转轴测试件联结，轴向力加载机构直接与回转轴测试件联结。

本实用新型还采取了其他一些技术措施。

本实用新型提供的能够对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩载荷的强度试验装置，其工作过程原理为：对称安置在装置机架上的主扭作动筒机构，在液压伺服系统控制下进行动作，产生一对力偶，此力偶通过固定于测试高速回转主轴上的主扭臂和反扭臂作用到弹性反扭作动机构上，使构成反扭弹性机构的弹性构件被压缩，从而使对称设置的弹性反扭机构产生一对反向力偶，进而通过主扭臂和反扭臂向高速回转主轴测试件施加如图3中所示的主扭矩Mk。当对称设置的振动扭矩作动筒在液压伺服系统控制下以一定的频率(一般不高于15Hz)和振幅(即△Mk)施加高频振动力偶时，由于反扭作动机构具有弹性，从而使得反扭臂产生高频振动，将振动作动筒与反扭作动机构之间形成的高频振动扭矩施加在高速回转主轴测试件上，即通过反扭臂对高速回转主轴测试件施加了高频振动扭矩，也就是在对高速回转主轴测试件在施加了主扭矩的基础上又叠加实施了高频振动扭矩。试验装置中的主扭作动筒和振动扭矩作动筒的运动动力都是由液压站提供的压力油通过电磁液压伺服阀控制提供。

本实用新型将高速回转主轴试验装置的反扭系统设计为独特的弹性系统，突破了现有技术的高速回转主轴试验装置的扭矩加载传统模式，成功地解决了对高速回转主轴试件实施综合扭矩加载的技术难题，使得试验装置能够完全、真实地模拟高速回转主轴运行过程承受的主扭矩载荷和高频振动扭矩载荷，且试验装置扭矩载荷加载准确度高，完全能够满足高速回转主轴扭矩疲劳试验的要求，实现高速回转主轴在试验装置上就可以进行确定寿命的试验目的，推进了高速回转轴试验装置的技术进步。此外，在本实用新型提供的高速回转主轴试验装置的基础上再增设弯矩加载机构和轴向力加载机构，试验装置就能够完全真实地模拟高速回转主轴运行状态下所承受的各种载荷，对高速回转主轴运行状态下所承受的各种载荷进行全面试验。

本实用新型提供的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的强度试验装置，与现有技术的高速回转主轴试验装置相比，除了上面所说的本实用新型能够对高速回转主轴同时实施主扭矩和振动扭矩，完全、真实地模拟高速回转主轴运行过程承受的综合扭矩载荷外，概括起来还具有以下技术优势和积极效果：

1、制造成本低。本实用新型的弹性反扭作动机构的制造成本较之由电磁液压伺服阀控制的反扭作动筒机构的制造成本大大降低，其制造成本一套只需数千元，远远少于后者制造成本的5—6万元。另外，本实用新型的装置机架，其结构较之现有技术试验装置的机架，结构更为简单，制造也更为容易，制造成本也更为低，即本实用新型的制造成本低。

2、使用寿命长。构成本实用新型弹性反扭作动机构的反力弹簧采用优质钢材制造，耐用性极强，而且在使用过程中几乎没有磨损，因此使用寿命长，设计人在装置的试制过程中，对一个型号的数十根轴进行试验，未更换过弹簧构件。而采用作动筒和电磁液压伺服阀技术的反扭系统，其故障率很高，主要原因是作动筒在高频往复运动过程中磨损严重，易损坏，另外由于原理性设计缺陷，使电磁液压伺服阀处于不合理的工作状态，极易造成损坏，一旦更换，则需要耗费数万元。

3、维修工作量小。本实用新型的弹性反扭作动机构在试验过程中几乎不需要进行维修，可以保证疲劳强度试验的进度要求，而采用作动筒和电磁液压伺服阀技术的反扭系统则经常需要停机维修，无法保证试验进度的要求，更难以对批量轴进行大规模的疲劳强度试验。

4、加载精度高。构成本实用新型的反扭作动机构弹性构件的反力弹簧采用优质钢材制造，具有优良的力学重复性能，与精度为0.1％的拉压力传感器配合使用，可使扭矩加载精度达到2％以上。而采用作动筒和电磁液压伺服阀技术的反扭系统加载精度只能达到5％。

5、适应疲劳试验所需要的大载荷，多循环试验需求。对一根高速回转主轴进行疲劳寿命试验，一般需要进行10⁴次低循环和10⁷次高循环，如每天进行12小时试验，在试验装置基本无故障的情况下，完成一根轴的试验约需要一个月的时间。本实用新型因使用寿命长，设备维修的工作量小，故可以适应批量轴疲劳试验的需求。而采用作动筒和电磁液压伺服阀技术的反扭系统的试验装置，由于故障率高，维修困难，进行一根轴的疲劳试验最少需要三个月以上的时间。因此只能进行少量轴的研究性试验，不能满足批量轴的疲劳寿命试验需求。

6、试验装置的利用率高。由于本实用新型具有上述多项优越性能，使得试验装置的利用率很高，能够对高速回转主轴批量进行疲劳试验。设计人曾用本实用新型的试验装置对几个型号的发动机涡轮轴进行过批量轴的疲劳强度试验，而采用作动筒和电磁液压伺服阀技术的反扭系统的试验装置只进行过少量研究性试验，设备利用率极低。

附图说明

图1是本实用新型的总体结构示意图。

图2是本实用新型的弹性反扭作动机构示意图。

图3是发动机涡轮轴疲劳强度试验载荷谱图。

图4是现有技术的试验装置的外形结构示意图。

图5是现有技术的试验装置的原理结构示意图。

在上述附图中，各图识标号的标识对象为：1装置机架；2弯矩加载机构；3弯矩加载轴；4主扭作动筒机构；6振动扭矩作动筒机构；6弹性反扭作动机构；7主扭臂；8高速回转主轴试验件；9反扭臂；10轴向力加载机构；11座板；12反力大弹簧；13反力小弹簧；14机架结构螺杆；15可动弹簧座；16盖板，17润滑油槽。

具体实施方式

下面结合附图说明给出本实用新型的实施例，并通过实施例对本实用新型作进一步的说明，以便于更加容易地理解本实用新型。但需要特别指出的是，本实用新型的具体实施方式不限于下面实施例所描述的形式，所属领域的技术人员在不付出创造性劳动的情况下，还可很容易地设计出其他的具体实施方式，因此不应将下面给出的具体实施方式的实施例理解为本实用新型的保护范围，将本实用新型的保护范围限制在所给出的实施例。

实施例1

本实施例提供的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其结构如附图1中所示，由装置机架1，主扭臂7，反扭臂9，作用力构成主扭力偶的2个主扭作动筒机构4，作用力构成振动扭力偶的2个振动作动筒机构5，反作用力构成反扭力偶的2个弹簧反扭作动机构6，以及由4个电磁液压伺服阀分别控制4个作动筒机构的液压伺服系统构成。2个主扭作动筒机构、2个振动作动筒机构和2个弹簧反扭作动机构均为对称设置。装置机架1为龙门式结构，由基座、两个墙式立柱和横梁构成，主扭臂7和反扭臂9与垂直安装在装置机架基座上的回转主轴8固定联结，2个主扭作动筒机构、2个振动作动筒机构和2个弹簧反扭作动机构的支承端分别固定于装置机架1的两个墙式立柱上，2个主扭作动筒机构的运动端与主扭臂铰联接，2个振动作动筒机构和2个弹簧反扭作动机构的运动端都与反扭臂铰联接。所述弹簧反扭作动机构的结构如附图2所示，由机构机架、圆柱型反力弹簧和将反力弹簧安置在机构机架内的两弹簧座构成，两弹簧座中与反扭臂作用联接一端的弹簧座15可相对于机构机架轴向移动，圆柱型反力弹簧有两根，一根为弹簧钢丝粗弹簧直径大的大弹簧12，一根为弹簧钢丝细弹簧直径小的小弹簧13，大弹簧套置在小弹簧外。所说的机构机架由4根端部设计有螺纹的机架结构螺杆14、座板11和盖板16构成，座板上设计加工有安装大小两弹簧的两弹簧座，和4个与机架结构螺杆端部螺纹匹配的安装贯通螺纹孔，盖板16中央设计有可动弹簧座轴颈安装孔，和与机架结构螺杆匹配的4个安装孔，可动弹簧座轴颈通过轴颈套安装在盖板上的安装孔内，可动弹簧座轴颈可在轴颈套内轴向滑动，盖板和轴颈套设计加工有相通的润滑油槽17，机架结构螺杆穿过盖板上的安装孔与座板上贯通的安装螺纹孔螺纹联结，组装形成机构机架。

实施例2

本实施例提供的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，结构如附图1和附图2所示，其构成与实施例1基本相同，所不同的是，在实施例1的基础上试验装置增设了弯矩加载机构2和轴向力加载机构10，弯矩加载机构通过弯矩加载轴3与回转轴测试件联结，轴向力加载机构直接作用于回转轴测试件。其他结构与实施例1均相同。本实施例的试验装置，除了能够完全真实地模拟高速回转主轴运行状态下所承受的主扭矩载荷和高频振动载荷外，还可模拟弯矩载荷和轴向载荷，可对高速回转主轴运行状态下所承受的各种载荷进行全面试验。

Claims (10)

1、一种能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，主要包括装置机架，与安装在机架上的回转主轴固定联结的主扭臂和反扭臂，支承端固定于装置机架上而运动端与扭臂为铰联接的作用力构成主扭力偶的至少一对主扭作动筒机构、作用力构成振动扭力偶的至少一对振动作动筒机构和反作用力构成反扭力偶的至少一对反扭作动机构，以及控制作动筒机构运动的液压伺服系统，其特征在于所说的反扭作动机构为弹性反扭作动机构。

2、根据权利要求1所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于所说的弹性反扭作动机构为由反力弹簧构成的弹性反扭作动机构。

3、根据权利要求2所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于所说的弹性反扭作动机构为由圆柱型反力弹簧构成的弹性反扭作动机构。

4、根据权利要求3所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于所说的弹性反扭作动机构主要包括机构机架、圆柱型反力弹簧和将反力弹簧安置在机构机架内的两弹簧座，两弹簧座中与反扭臂作用联接一端的弹簧座可相对于机构机架轴向移动。

5、根据权利要求4所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于所说的圆柱型反力弹簧有两根，弹簧钢丝粗弹簧直径大的大弹簧套置在弹簧钢丝细弹簧直径小的小弹簧外。

6、根据权利要求4所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于所说的机构机架包括端部设计有螺纹的机架结构螺杆、座板和盖板，座板上设计有弹簧座和与螺杆端部螺纹匹配的机架组装螺纹孔，盖板上设计有可动弹簧座轴颈可在其内轴向滑动的安装孔和机架组装孔，螺杆穿过盖板上的机架组装孔与座板上的机架组装螺纹孔螺纹联结，组装成机构机架。

7、根据权利要求6所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于可动弹簧座轴颈通过装配轴颈套安装在盖板装配孔内，轴颈套上设计加工有润滑油槽。

8、根据权利要求1所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于试验装置还设置有弯矩加载机构和轴向力加载机构，弯矩加载机构通过弯矩加载轴与回转轴测试件联结，轴向力加载机构直接与回转轴测试件联结。

9、根据权利要求1至8中任一项权利要求所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于所说的主扭作动筒机构、振动作动筒机构和反扭作动机构均为对称设置的2个，振动作动筒机构和反扭作动机构分别与同一反扭臂铰联接。

10、根据权利要求9所述的能够对高速回转主轴实施主扭矩和振动扭矩的试验装置，其特征在于所说的装置机架为龙门式结构，由基座、两个墙式立柱和横梁构成，主扭作动筒机构、副作动筒机构和反扭作动机构支承端固定安装在立柱上，被测回转轴竖向安装在基座上。

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